CN111929341A - 一种地层温度梯度模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地层温度梯度模拟器，包括反应釜体、安装在反应釜体上端面的上平盖封头以及安装在反应釜体下端面的下平盖封头，在所述反应釜体内还布置有上循环盘管和下循环盘管，所述上循环盘管靠近上平盖封头，所述下循环管靠近下平盖封头，在所述反应釜体内、上循环盘管和下循环盘管之间间隔设置有N根控温管，以使得在反应釜体内产生垂直温度梯度。通过在反应釜体内的上下两端布置有上循环盘管和下循环盘管，上循环盘管和下循环盘管的设计保障了加热稳定，而通过在循环盘管和下循环盘管之间间隔设置有N根控温管，控温管环绕反应釜体，即调整每一根控温管的温度，从而可以在反应釜体内模拟出地层温度梯度。

Description

一种地层温度梯度模拟器

技术领域

本发明涉及实验模拟装置，具体涉及一种地层温度梯度模拟器。

背景技术

天然气水合物(以下简称水合物)是指天然气与水在一定温度和压力下生成的一种笼状晶体物质，其遇火即可燃烧，俗称“可燃冰”。早期对天然气水合物的研究主要针对抑制水合物的生成，是为了解决油、气生产和运输过程中管道、设备的堵塞问题。随着人们对天然气水合物研究的不断深入，天然气水合物的特性及对环境的影响越来越为人类认识，其作为一种有效的替代能源的价值也益显突出。

目前对于天然气的开采由于各地的地质条件和天然气水合物的成分不同，形成机制各异，所以一般通过模拟实验进行研究，直接指导勘查开发，比如专利文献CN102162353A所公开的一种天然气水合物三维井网装置(和本申请为同一申请人)，该装置可以用于综合研究天然气水合物的各种开采机理、开采动态，并对各种开采方法进行优化和综合评价，但是申请人在实施上述专利方案的时候发现，该装置无法模拟出天然气水合物储层的地层环境温度，天然气水合物储层的地层环境是有一定温度梯度的，但是目前已有的天然气水合物实验设备尺度对比实际地层环境都不足以拥有温度梯度，所以大多天然气水合物反应釜都是做的恒温水浴，但是在实际开采中，天然气水合物储层受地层温度的影响，温度随着深度的变化是有一定温差与温度梯度的，且这种温度梯度的存在会对天然气水合物的生成开采均具有一定的影响，这就需要对更接近实际开采真实情况的大尺度天然气水合物设备有着需要模拟地层温度梯度更高要求，如何精确控制地层温度梯度以实现NGH藏原位温度场模拟就是目前要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种地层温度梯度模拟器，以为天然气水合物实验设备提供NGH藏原位温度场模拟。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种地层温度梯度模拟器，包括反应釜，所述反应釜包括反应釜体，在所述反应釜体内的上下两端分别布置有上循环盘管和下循环盘管，所述上循环盘管和下循环盘管均采用独立的热交换装置来实现热传导介质在盘管内的循环；在所述反应釜体内、上循环盘管和下循环盘管之间间隔设置有N根控温管，以使得在反应釜体内产生垂直温度梯度，N为正整数；所述控温管也均是采用独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环。

进一步地，所述反应釜还还包括安装在反应釜体上端面的上平盖封头以及安装在反应釜体下端面的下平盖封头，所述上循环盘管靠近上平盖封头，所述下循环管靠近下平盖封头。进一步地，所述N根控温自下而上等距分布且控温管之间的温差恒定。

进一步地，所述控温管之间的温差表示为：

ΔT＝(T₁-T₂)/(N+1)；其中，T₁为下循环盘管的温度，T₂为上循环盘管的温度，T₁＞T₂。

进一步地，在所述反应釜体内还设置有温度传感器，以用于检测上循环盘管、下循环盘管以及N根控温管的温度，并将所监测到的温度数据传输至控制器，由控制器根据所监测到温度数据来实时调整各热交换装置的工作，以保证反应釜体内的垂直温度梯度实时保持稳定状态。

进一步地，在所述上平盖封头和下平盖封头中对应设置有上中心井过孔和下中心井过孔，以用于安装中心井；在所述下平盖封头中还设置有注砂孔以及注液注气孔；在所述上平盖封头中还设置有井网及测点布置安装孔，以用于安装井网以及监测传感器。

进一步地，所述下循环盘管在反应釜体内的布置方式为避开注砂孔、中心井过孔以及注液注气孔；所述上循环盘管在反应釜内的布置方式为避开中心井过孔、井网及测点布置安装孔。

进一步地，所述下循环盘管接口布置布置在反应釜体上，密封形式采用O型圈插接方式，盘管预埋在填砂中且填砂到位再安装下平盖封头，O型圈与下平盖封头组成下循环管联接接头。

进一步地，所述上循环盘管接口布置在上平盖封头上，盘管用管卡固定在上平盖封头上，固定卡子加绝热隔套；密封形式采用O型圈插接方式，O型圈与上平盖封头组成上循环管联接接头。

进一步地，所述反应釜体中部设置有转轴，以通过翻转机构实现整体180°翻转。

进一步地，所述反应釜体与上、下上平盖封头之间的链接，采用法兰式螺栓孔联接；反应釜体与上、下上平盖封头设计有定位销轴；在上、下平盖封头中均设计有吊环；在所述反应釜体与上、下上平盖封头之间设有两丁腈橡胶O形圈，端面榫槽安装。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本实施例提供的地层温度梯度模拟器通过在反应釜体内的上下两端布置有上循环盘管和下循环盘管，上循环盘管和下循环盘管的设计保障了加热稳定，而通过在循环盘管和下循环盘管之间间隔设置有N根控温管，控温管环绕反应釜体，而每一根控温管也是有独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环，即也是可以实现制冷、加热以及恒温的功能，如此即可以单独地调整每一根控温管的温度，从而可以在反应釜体内模拟出地层温度梯度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的地层温度梯度模拟器的整体结构示意图；

图2为下循环盘管的分布示意图；

图3为上循环盘管的分布示意图；

图4为热交换装置与盘管外接管线联接示意图；

图5为反应釜体内井位分布图；

图6为流场测量装置的组成示意图；

图中：1、反应釜体；2、上平盖封头；3、下平盖封头；4、上循环盘管；5、下循环盘管；6、控温管；7、中心井；8、软管；9、快插自封接头；21、上中心井过孔；22、井网及测点布置安装孔；31、下中心井过孔；32、注砂孔；41、上循环盘管接口；51、下循环盘管接口。

10、非中心垂直井压力传感器；11、非中心垂直井出口阀门；12、连通器阀门；13、差压传感器；14、连通器；15、中心垂直井出口阀门；16、中心垂直井压力传感器；17、中心垂直井出口管线；18、连通器压力传感器；19、注气阀；20、非中心垂直井出口管线。

具体实施方式

实施例：

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参阅图1-3所示，本实施例提供的地层温度梯度模拟器包括反应釜，该反应釜包括反应釜体1、安装在反应釜体1上端面的上平盖封头2以及安装在反应釜体1下端面的下平盖封头3。具体地，该反应釜体1为厚壁圆柱形筒体，反应釜体1上下端面均采用平盖封头的方式，平盖封头便于压力、温度、电阻测点等监测传感器的布置。

在该反应釜体1内还布置有上循环盘管4和下循环盘管5，该上循环盘管4靠近上平盖封头2，该下循环管5靠近下平盖封头3，也就是说，循环盘管不与平盖封头直接接触，达到与釡盖绝热。该上循环盘管4和下循环盘管5均采用独立的热交换装置来实现热传导介质在盘管内的循环，上循环盘管和下循环盘管采用独立的热交换装置循环，该热交换装置具有制冷、加热以及恒温的功能。在上循环盘管4和下循环盘管5的作用下，可以使得反应釜体1内的上部和下部均形成等温面，但如果仅仅是反应釜上部和下部均形成等温面，由于反应釜四周无法做到绝热，在热对流的影响下，会形成高温自下而上占据大部分空间，无法做到均衡的温度梯度，从而不能模拟地层温度梯度。为此，在本实施中，在该反应釜体1内、上循环盘管4和下循环盘管5之间间隔设置有N根控温管6，以使得在反应釜体1内产生垂直温度梯度，N为正整数，当然控温管6数量可根据实际需求而定，在本实施例中，N为3，即布置有三根控温管6，每一控温管6也均是采用独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环。

由此可见，本实施例提供的地层温度梯度模拟器通过在反应釜体内的上下两端布置有上循环盘管和下循环盘管，上循环盘管和下循环盘管的设计保障了加热稳定，而通过在循环盘管和下循环盘管之间间隔设置有N根控温管，控温管环绕反应釜体，而每一根控温管也是有独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环，即也是可以实现制冷、加热以及恒温的功能，如此即可以单独地调整每一根控温管的温度，从而可以在反应釜体内模拟出地层温度梯度。

此外，由于地层温度为自下而上温度以一定梯度逐渐降低，为了更精确地模拟出地层温度梯度，该N根控温管自下而上等距分布且控温管之间的温差恒定，如此，即可以实现低温到高温等温差等距自上而下排列，具体为下循环盘管5为设定高温T1,上循环盘管4为设定低温T2，有N根控温管6，控温管6之间温差可以表示为：ΔT＝(T1-T2)/(N+1)，也即控温管6自上而下温度分别设定为T2+ΔT、T2+2ΔT、…、T2+NΔT。

另外，为了使得控温管之间温差ΔT实时保持稳定状态，以达到对地层最真实的模拟，该反应釜体1内还设置有温度传感器，以用于检测上循环盘管4、下循环盘管5以及N根控温管6的温度，并将所监测到的温度数据传输至控制器，由控制器根据所监测到温度数据来实时调整各热交换装置的工作，以保证反应釜体内的垂直温度梯度实时保持稳定状态。具体到本实施例中，垂直温度梯度温差控制为5℃，控温精度为±0.5℃。

具体地，在上述上平盖封头2和下平盖封头3中对应设置有上中心井过孔21和下中心井过孔31，以用于安装中心井7；在所述下平盖封头3中还设置有注砂孔32以及注液注气孔；在所述上平盖封头2中还设置有井网及测点布置安装孔22，以用于安装井网以及监测传感器。通过安装有中心井7以及设置有注砂孔32、注液注气孔以及井网及测点布置安装孔，有利于综合研究天然气水合物的各种开采机理、开采动态，并对各种开采方法进行优化和综合评价。优选地，上述下循环盘管5在反应釜体1内的布置方式为在满足加热均匀的前提下，避开注砂孔32、下中心井过孔31以及注液注气孔，具体的形状布置如图2所示，加热或者冷却方式为水浴；同理，该上循环盘管4在反应釜1内的布置方式为在满足加热均匀的前提下，避开上中心井过孔21、井网及测点布置安装孔，具体地形状布置如图3所示，加热或者冷却方式为水浴。上循环盘管和下循环盘管通过采用如此的设计方式，在保障了加热稳定，散热均匀，同时不会影响反应釜的其他操作，比如填砂、注液注气等。

具体地，下循环盘管接口51布置布置在反应釜体1上，主要是反应釜旋转倒立填砂时避免死区，下循环盘管5预埋在填砂中且填砂到位再安装下平盖封头3，密封形式采用O型圈插接方式，联接方便。同时，由于应釜旋转倒立填砂时上循环盘管4在下端，不存在填砂死区，所以上循环盘管接口41布置在上平盖封头2上，上循环盘管4用管卡固定在封头上，固定卡子加绝热隔套；密封形式采用O型圈插接方式，密封可靠，联接方便。由于在实验操作过程中反应釜体需要旋转180°，如图4所示，所以热交换装置与盘管外接管线联接采用软管8和快插自封接头9的方式。

优先地，该反应釜体1中部设置有转轴，以通过翻转机构实现整体180°翻转，反应釜可实现整体180°翻转，便于预埋全直径中心井管、垂直井网、各测点测柱、摄像以及照明系统的安装以及各管线、线缆的引出等操作，更便于装填砂操作等。

优先地，该反应釜体1与上、下平盖封头之间的联接通过螺栓12的方式，联接稳定牢固、安全可靠。该反应釜体与上、下平盖封头设计有定位销轴，以避免发生安装错位现象；在上、下平盖封头中均设计有吊环，以便于装吊。

优选地，在反应釜体与上、下上平盖封头之间设有两丁腈橡胶“O”形圈，端面榫槽安装，密封结构简单、密封效果好，对正后靠釜盖自重即可装入。

综上，本实施例提供的地层温度梯度模拟器与现有技术相比，具有如下技术优势：

(1)上下循环盘管的设计，保障了加热稳定，散热均匀，同时不会影响反应釜的其他操作，比如填砂、注液注气等；

(2)上下循环盘管采用独立的热交换装置循环，上下循环盘管可以同时工作，并且具有制冷、加热以及恒温的功能；

(3)控温管采用独立的热交换装置循环，可以同时工作，并且具有制冷、加热以及恒温的功能；

(4)O型圈插接，密封好、联接方便；

(5)全封闭循环系统，保证高温时无油雾产生；

(6)循环盘管不与平盖封头直接接触，达到与釡盖绝热；

(7)垂直温度梯度受反应釜内套装温度测柱测试输出信号反馈进行控制，保证地层温度梯度能实时保持稳定状态，达到对地层最真实的模拟；

(8)整个地层温度梯度模拟器能精确控制地层温度梯度以实现NGH藏原位温度场模拟。

同时，由于大尺度的天然气水合物实验系统有测量流场的意义与需要，但是难以实现，目前流场测量装置大多为可视化设备，比如一些光发生器与摄像机等成像装置结合，又或者安装一些可视化的视窗之类的设备，去观察、拍摄记录流场的变化，达到对流场的测量效果。但是天然气水合物大多附存于多孔介质中，视窗系只能观察到多孔介质，摄影设备难以深入反应釜，也难以在反应釜内的环境下进行拍摄。这些手段都无法有效的观察或者测量到反应釜内的流场。

为此，在一些实施例中，该反应釜体1还连接有流场测量装置。如图5所示，该反应釜体1内分为若干层，每层对称分布若干口垂直井，本实例为九口垂直井，分别编号为1-A，2-A,…,9-B,9-C,其中位于中心的垂直井9-B为中心垂直井，其余的垂直井均为非中心垂直井。

具体地，如图6所示，流场测量装置则主要包括非中心垂直井压力传感器10、非中心垂直井出口阀门11、连通器阀门12、差压传感器13、连通器14、中心垂直井出口阀门15以及中心垂直井压力传感器16。

其中，该非中心垂直井压力传感器10、非中心垂直井出口阀门11、差压传感器13、连通器阀门12的个数和非中心垂直井相同；将除9-B垂直井外的所有非中心垂直井出口管线20依次连接非中心垂直井压力传感器10，非中心垂直井出口阀门11，差压传感器13的一端，差压传感器13的另一端接到连通器阀门12，连通器阀门12汇集至连通器14，连通器14的另一端依次连接中心垂直井出口阀门15、中心垂直井压力传感器16、中心垂直井出口管线17。

26个差压传感器的编号分别为A1,B1,C1,A2,…,A9,C9，分别代表连接1-A井与9-B井的差压传感器，连接1-B井与9-B井的差压传感器，…，连接9-A井与9-B井的差压传感器，连接9-C井与9-B井的差压传感器。具体地，该压差传感器13的精度高于中心垂直井压力传感器16和非中心垂直井压力传感器10的精度，量程小于中心垂直井压力传感器16和非中心垂直井压力传感器10的量程，由于压力传感器精度测不了小压差，差压传感器13的精度更高，在压力差比较小的时候，压力传感器显示的的压力可能是一样的，但是差压传感器能测出来压力差，压力差比较大的时候，超出差压传感器的量程就会损害差压传感器，也就是说，压差传感器精度高，但是量程小。压力传感器量程大，但是精度不够，所以二者要相互配合使用。

如此，当需要观察天然气水合物反应釜内流场的时候，先通过观察27个压力传感器的数值，比较反应釜的每一口垂直井与中心的垂直井的压力差，看是否超过差压传感器的量程；若超过差压传感器的量程，则得到该差压传感器所对应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差；若未超过差压传感器量程，则同时打开该差压传感器两侧的非中心垂直井出口阀门和连通器阀门，利用该差压传感器测量到相应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差。受压力差的影响，气液会自发从高压流向低压(或有自发从高压流向低压的趋势)，也即反应釜内的流场被准确测量出来。

由此可见，本实施提供的流场测量装置通过反应釜内各点的压力差来量化反应釜内流场，准确、高效；将中心垂直井的测点分别与各个垂直井的测点之间连接差压传感器，测量压力差，对于整个反应釜内部三维空间分配合理，模拟出的流场更加易于分析反应釜内气液流动趋势；通过压力传感器反馈的信息进行初判断，再决定是否开启差压传感器，在压力差大和压力差小的工况下，均能测量反应釜内流场，同时对差压传感器也能得到有效的保护。同时由于整个测量装置是通过垂直井出口管线相连接的，也就是说整个测量装置可以外接反应釜的，亦即该差压传感器和连通器均设置于反应釜之外，不需要对整个天然气水合物系统进行大的改造，不会对现有的实验装置造成损坏，对于不具备流场测量功能的天然气水合物实验系统，可以随时外加本装置。

作为本实施例流场测量装置的一种优选，该流场测量装置还包括显示终端，每一非中心垂直井压力传感器10、中心垂直井压力传感器16以及差压传感器13的数据输出端均连接至显示终端，如此，通过显示终端能够实时地显示记录相关数据，从而可以实时测量反应釜内流场。具体地，该显示终端为电脑或平板电脑或手机，而在本实施例中则采用电脑的形式。

作为本实施例流场测量装置的另一种优选，上述的连通器14还旁设有连通器压力传感器18和注气阀19。如此，可以利用注气阀19对差压传感器13进行测试，具体方法为关闭非中心垂直井出口阀门，使得差压传感器传感器与非中心垂直井出口阀相连接的这一端的压力数值都一致，将连通器的注气阀门连接至已知压力值不超过差压传感器量程的气瓶，打开连通器阀门，打开气瓶阀门，观察记录差压传感器所显示的数值，正常情况下，此时差压传感器测得的差压应该是一致的，不显示差压或差压有明显的差异的差压传感器应该被更换或进行维修。

综上，本实施例提供的流场测量装置与现有技术相比具有如下技术优势：

(1)压力传感器和差压传感器连接至电脑，可以实时测量反应釜内流场；

(2)通过反应釜内各点的压力差来量化反应釜内流场，准确、高效；

(3)将中心垂直井的测点分别与各个垂直井的测点之间连接差压传感器，测量压力差，对于整个反应釜内部三维空间分配合理，模拟出的流场更加易于分析反应釜内气液流动趋势；

(4)通过压力传感器反馈的信息进行初判断，再决定是否开启差压传感器，在压力差大和压力差小的工况下，均能测量反应釜内流场，同时对差压传感器也能得到有效的保护；

(5)外接差压传感器反映反应釜内流场的设计，不会对天然气水合物实验造成影响；

(6)不需要对整个天然气水合物系统进行大的改造，不会对现有的实验装置造成损坏，对于不具备流场测量功能的天然气水合物实验系统，可以随时外加该装置；

(7)连通器的设计可以在脱离天然气水合物实验系统的情况下检测差压传感器，操作简便、安全、可靠。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种地层温度梯度模拟器，包括反应釜，所述反应釜包括反应釜体，其特征在于，在所述反应釜体内的上下两端分别布置有上循环盘管和下循环盘管，以使得反应釜体内的上部和下部均形成等温面；在所述反应釜体内，上循环盘管和下循环盘管之间间隔设置有N根控温管，以使得在反应釜体内产生垂直温度梯度，N为正整数；所述控温管均是采用独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环。

2.如权利要求1所述的地层温度梯度模拟器，其特征在于，所述反应釜还还包括安装在反应釜体上端面的上平盖封头以及安装在反应釜体下端面的下平盖封头，所述上循环盘管靠近上平盖封头，所述下循环盘管靠近下平盖封头；所述上循环盘管和下循环盘管也均采用独立的热交换装置来实现热传导介质在盘管内的循环。

3.如权利要求1所述的地层温度梯度模拟器，其特征在于，所述N根控温自下而上等距分布且控温管之间的温差恒定。

4.如权利要求3所述的地层温度梯度模拟器，其特征在于，所述控温管之间的温差表示为：

ΔT＝(T₁-T₂)/(N+1)；其中，T₁为下循环盘管的温度，T₂为上循环管的温度，T₁＞T₂。

5.如权利要求3所述的地层温度梯度模拟器，其特征在于，在所述反应釜体内还设置有温度传感器，以用于监测上循环盘管、下循环盘管以及N根控温管的温度，并将所监测到的温度数据传输至控制器，由控制器根据所监测到温度数据来实时调整各热交换装置的工作，以使得反应釜体内的垂直温度梯度实时保持稳定状态。

6.如权利要求2所述的地层温度梯度模拟器，其特征在于，在所述上平盖封头和下平盖封头中对应设置有上中心井过孔和下中心井过孔，以用于安装中心井；在所述下平盖封头中还设置有注砂孔以及注液注气孔；在所述上平盖封头中还设置有井网及测点布置安装孔，以用于安装井网以及监测传感器；所述下循环盘管在反应釜体内的布置方式为避开注砂孔、中心井过孔以及注液注气孔；所述上循环盘管在反应釜内的布置方式为避开中心井过孔、井网及测点布置安装孔。

7.如权利要求1或6所述的地层温度梯度模拟器，其特征在于，所述下循环盘管接口布置布置在反应釜体上，密封形式采用O型圈插接方式，下循环盘管预埋在填砂中且填砂到位再安装下平盖封头，O型圈与下平盖封头组成下循环管联接接头。

8.如权利要求1或6所述的地层温度梯度模拟器，其特征在于，所述上循环盘管接口布置在上平盖封头上，上循环盘管用管卡固定在上平盖封头上，固定卡子加绝热隔套，密封形式采用O型圈插接方式，O型圈与上平盖封头组成上循环管联接接头。

9.如权利要求1所述的地层温度梯度模拟器，其特征在于，所述反应釜体中部设置有转轴，以通过翻转机构实现整体180°翻转。

10.如权利要求1或9所述的地层温度梯度模拟器，其特征在于，所述反应釜体与上、下平盖封头之间的链接，采用法兰式螺栓孔联接；反应釜体与上、下平盖封头设计有定位销轴；在上、下平盖封头中均设计有吊环；在所述反应釜体与上、下平盖封头之间设有两丁腈橡胶O形圈，端面榫槽安装。

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